江西大型風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定研究

楊 超，程 虹，肖 園

（國(guó)網(wǎng)江西省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江西 南昌 330043）

0 引言

上隨著江西并網(wǎng)發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷增加，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響將受到廣泛的關(guān)注。風(fēng)電系統(tǒng)中除經(jīng)常發(fā)生線路、變壓器短路等大擾動(dòng)故障以外，也經(jīng)常發(fā)生風(fēng)電場(chǎng)出力隨風(fēng)速變化的小擾動(dòng)。所以有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)故障以及風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)風(fēng)電機(jī)組和接入電網(wǎng)的暫態(tài)及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。作為風(fēng)電場(chǎng)的基本組成單元，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性與控制模式對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)行為有著重大的影響。江西目前常用的變速風(fēng)電機(jī)組主要有雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組和永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其中永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組省去了增速齒輪箱，減少了風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)工作并降低了噪聲，在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注，近幾年來(lái)逐漸成為江西風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)介

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組屬于變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組。變速運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組具有風(fēng)能利用率高、機(jī)械部件所受應(yīng)力小、電能質(zhì)量高等特點(diǎn)。因此，近幾年來(lái)成為新建風(fēng)電場(chǎng)所采用的主要機(jī)型之一。

1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)，無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源，提高了風(fēng)電機(jī)組的效率。風(fēng)力機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)通過(guò)軸系直接耦合，省去了增速齒輪箱，大大提高了可靠性，減小了系統(tǒng)的機(jī)械噪聲，降低了機(jī)組的維護(hù)工作量。永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)背靠背式全功率變頻器系統(tǒng)接入電網(wǎng)，通過(guò)對(duì)變頻器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變速運(yùn)行，并且可以調(diào)節(jié)機(jī)組的功率因數(shù)。永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組主要包括變槳距式風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、背靠背式全功率變頻器以及控制系統(tǒng)四部分。其中，變頻器系統(tǒng)硬件部分又分為發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器、直流環(huán)節(jié)和電網(wǎng)側(cè)變頻器。

1.2 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變頻器的控制策略

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組全功率變頻器的控制策略為：對(duì)于發(fā)電機(jī)側(cè)變頻器，通過(guò)矢量控制的方法，實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦控制，控制目標(biāo)為有功功率按照最優(yōu)功率曲線變化，同時(shí)保持與發(fā)電機(jī)無(wú)功交換為零。對(duì)于電網(wǎng)側(cè)變頻器，通過(guò)矢量控制的方法實(shí)現(xiàn)直流環(huán)節(jié)直流電壓和無(wú)功功率的解耦控制，控制目標(biāo)為控制直流電壓在設(shè)定值，同時(shí)保持變頻器與電網(wǎng)交換的無(wú)功功率按指定的功率因數(shù)變化（一般采用恒功率因數(shù)cos?＝1.0的控制模式），也就是恒功率因數(shù)控制。

1.3 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)設(shè)置

目前，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組設(shè)置的系統(tǒng)保護(hù)主要包括：1）低壓和過(guò)壓保護(hù)；2）過(guò)流保護(hù)；3）頻率保護(hù)。另外，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的要求，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的過(guò)程中維持并網(wǎng)運(yùn)行的能力，也就是低電壓穿越能力（LVRT），以在特定電網(wǎng)條件下按照電網(wǎng)部門的要求實(shí)現(xiàn)該功能。風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力最終依靠風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 江西釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)概況

江西釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)位于泰和縣東南部的水搓鄉(xiāng)，擬將該地區(qū)風(fēng)力資源分為四期開(kāi)發(fā)，近期先開(kāi)發(fā)水搓南部山脊，遠(yuǎn)期繼續(xù)開(kāi)發(fā)北部山脊，風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)順序?yàn)椋横烎~(yú)臺(tái)（48 MW）—天湖山（48 MW）—茶園（84 MW）—浪川（70 MW），規(guī)劃總裝機(jī)容量約250 MW。對(duì)該地區(qū)連片開(kāi)發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)采取集中式送出的方式，以220 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)全部建成后將是江西裝機(jī)規(guī)模最大的風(fēng)電場(chǎng)。釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)本期新建1座220 kV升壓站，剖口接入井岡山電廠—埠頭變220 kV線路接入系統(tǒng)，四期風(fēng)電場(chǎng)均通過(guò)35 kV線路匯集送至220 kV升壓站，升壓站規(guī)劃新建3臺(tái)升壓變壓器。風(fēng)電場(chǎng)首先經(jīng)機(jī)端一級(jí)升壓變升至35 kV，再經(jīng)二級(jí)升壓變升至220 kV，最后通過(guò)2回220 kV線路接入井岡山電廠和220 kV埠頭變電站。

釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電的投產(chǎn)，將對(duì)江西南部電網(wǎng)供電提供一定的補(bǔ)給和支撐，提高了南部電網(wǎng)的供電能力。從地理位置來(lái)看，釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電位于吉安、贛州市地理交界，處于吉安電網(wǎng)和贛州電網(wǎng)的交接處，釣魚(yú)臺(tái)匯集站的風(fēng)電電力流向由北往南注入贛州東部電網(wǎng)。

3 風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定仿真分析

3.1 風(fēng)電場(chǎng)建模

釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)為125臺(tái)永磁直驅(qū)同步風(fēng)電機(jī)組采用“一機(jī)一變”的接入方式，構(gòu)成裝機(jī)容量為250 MW的風(fēng)電場(chǎng)，所有機(jī)組均采用恒功率因數(shù)控制模式并且控制功率因數(shù)為1.0，并考慮其低電壓穿越能力。

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定，一般需要在風(fēng)電場(chǎng)安裝一定容量的集中無(wú)功補(bǔ)償裝置并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此，考慮在升壓站35 kV側(cè)安裝合計(jì)60 Mvar（容性）容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。

直驅(qū)永磁同步電機(jī)的風(fēng)電機(jī)額定功率為2 000 kVA，風(fēng)機(jī)額定風(fēng)速為11 m/s，切出風(fēng)速為22 m/s，切入風(fēng)速為3 m/s。本次計(jì)算采用GE直驅(qū)類型的風(fēng)電機(jī)組模型對(duì)其進(jìn)行模擬，其動(dòng)態(tài)模型示意見(jiàn)圖1，發(fā)電機(jī)和換流器模型根據(jù)控制系統(tǒng)命令向系統(tǒng)注入有功功率和無(wú)功功率，同時(shí)模擬低電壓和過(guò)電壓保護(hù)功能。

圖1 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型示意圖

3.2 電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

按照風(fēng)電場(chǎng)本期接入容量，研究區(qū)域內(nèi)部分220 kV線路發(fā)生三相短路故障情況下，接入風(fēng)場(chǎng)后的母線電壓、地區(qū)內(nèi)部主要電廠發(fā)電機(jī)功角搖擺以及電廠出力等變化情況。對(duì)于電網(wǎng)故障，考慮風(fēng)電場(chǎng)近側(cè)線路發(fā)生三相永久故障，線路跳開(kāi)。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)附近部分220 kV元件短路故障仿真分析結(jié)果如表1所示。220 kV埠頭—升壓站線路埠頭側(cè)發(fā)生三相短路故障，埠頭變母線電壓和風(fēng)電場(chǎng)出力的變化曲線如圖2、圖3所示。

表1 電網(wǎng)故障時(shí)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖2 關(guān)鍵母線電壓曲線

圖3 風(fēng)電場(chǎng)有功無(wú)功變化曲線

根據(jù)仿真計(jì)算，在故障發(fā)生瞬間風(fēng)電機(jī)組的有功功率和機(jī)端電壓迅速跌落，風(fēng)電機(jī)組注入系統(tǒng)的無(wú)功功率迅速增大。在電網(wǎng)故障期間，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功功率的能力有利于風(fēng)電場(chǎng)維持暫態(tài)電壓穩(wěn)定。擾動(dòng)消失后，風(fēng)電場(chǎng)的有功功率、風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓以及風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)母線電壓很快恢復(fù)到故障前的穩(wěn)定狀態(tài)；風(fēng)電場(chǎng)全部機(jī)組吸收的無(wú)功功率經(jīng)過(guò)短暫的衰減振蕩后也恢復(fù)穩(wěn)定。故障距離風(fēng)電場(chǎng)越近，則風(fēng)電場(chǎng)的出力波動(dòng)越大。三相短路故障仿真時(shí)，除母線故障，風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)均未動(dòng)作（即未發(fā)生切機(jī)情況），說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)在電網(wǎng)故障情況下的運(yùn)行穩(wěn)定性較好。全功率變頻器的使用實(shí)現(xiàn)了永磁同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的解耦，通過(guò)對(duì)變頻器的有效控制對(duì)電網(wǎng)的故障能夠起到很好的隔離作用。

由于贛州東部電網(wǎng)為系統(tǒng)末端電網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)接入后對(duì)受電斷面穩(wěn)定極限的影響問(wèn)題也應(yīng)給予注意，但不在本文討論的范圍。風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)和穩(wěn)控措施應(yīng)根據(jù)具體電網(wǎng)和風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模、接入方式等進(jìn)行具體計(jì)算分析。

3.3 風(fēng)速擾動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響

風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性的特點(diǎn)，使得風(fēng)電出力變化較大。風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力的波動(dòng)造成發(fā)電機(jī)輸出的功率波動(dòng)，從而造成部分變電站電壓變動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)壓困難。風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于風(fēng)速的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸入功率產(chǎn)生變化，從而引起風(fēng)電場(chǎng)輸出功率產(chǎn)生變化。當(dāng)風(fēng)速變化劇烈時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)出力變化較大，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓穩(wěn)定性會(huì)有較大波動(dòng)，導(dǎo)致因電壓波動(dòng)而引起的系統(tǒng)電壓失穩(wěn)現(xiàn)象。本文分別研究在陣風(fēng)和漸變切出風(fēng)情況下，風(fēng)電場(chǎng)從額定風(fēng)速增大至切除風(fēng)速附近及減小到切入風(fēng)速附近對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)情況。

初始風(fēng)速為額定風(fēng)速，模擬疊加最大為12 m/s的陣風(fēng)，陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間為2 s，持續(xù)時(shí)間5 s，考慮風(fēng)速突然變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)因擾動(dòng)而產(chǎn)生的電壓波動(dòng)見(jiàn)圖4和圖5所示。

當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組為保持自身的安全性將停止發(fā)電。此時(shí)由于風(fēng)機(jī)的突然切出，引起系統(tǒng)潮流發(fā)生突變。從計(jì)算結(jié)果夠看出，在風(fēng)速超出切出風(fēng)速的擾動(dòng)情況下，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)較小，達(dá)到0.5%左右，遠(yuǎn)低于超規(guī)程對(duì)切出風(fēng)時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)不超過(guò)2.5%的要求范圍，能夠滿足規(guī)程的技術(shù)要求。

圖4 風(fēng)電機(jī)組各相關(guān)參數(shù)變化曲線（陣風(fēng)）

圖5 關(guān)鍵母線電壓穩(wěn)定曲線（陣風(fēng)）

初始風(fēng)速為額定風(fēng)速，模擬疊加-10 m/s的漸變風(fēng)，漸變風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間為1 s，下降為3 s，持續(xù)時(shí)間40 s，考慮風(fēng)速突然變化時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)因擾動(dòng)而產(chǎn)生的電壓波動(dòng)見(jiàn)圖6和圖7所示。在漸變風(fēng)擾動(dòng)情況下，當(dāng)風(fēng)速低于切入風(fēng)速后，風(fēng)電機(jī)出力下降，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)范圍較小，為0.13%左右。因此，在漸變風(fēng)擾動(dòng)情況下，能夠保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓運(yùn)行在規(guī)程允許的1%電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，滿足規(guī)程的要求。

圖6 風(fēng)電機(jī)組各相關(guān)參數(shù)變化曲線（漸變風(fēng)）

圖7 關(guān)鍵母線電壓穩(wěn)定曲線（漸變風(fēng)）

4 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行中會(huì)經(jīng)受各種各樣的擾動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組承受擾動(dòng)的能力是風(fēng)電機(jī)組的重要特性之一。本文分析江西釣魚(yú)臺(tái)250 MW永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組承受擾動(dòng)的能力，擾動(dòng)按最嚴(yán)重的系統(tǒng)三相短路故障和風(fēng)速變化來(lái)考慮。在電網(wǎng)故障期間且故障消失后，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)均能夠恢復(fù)到故障前的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；在風(fēng)速快速變化期間，風(fēng)機(jī)的有功功率、無(wú)功功率、系統(tǒng)母線電壓的波動(dòng)都很小。仿真結(jié)果表明，釣魚(yú)臺(tái)風(fēng)電場(chǎng)采用的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出無(wú)功功率的能力，有利于風(fēng)電場(chǎng)維持穩(wěn)定。需要特別指出的是，由于風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間的相互影響與電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此本章仿真結(jié)果僅適于本文的算例系統(tǒng)。另外，以上分析結(jié)論在風(fēng)電場(chǎng)廠方提供的技術(shù)參數(shù)下計(jì)算得到，技術(shù)參數(shù)的改變也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果和結(jié)論帶來(lái)影響。

[1]尹明，李庚銀，張建成，等.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控 61-65.制策略[J].電網(wǎng)技術(shù).2007（15）：

[2]遲永寧，王偉勝，劉燕華，等.大型風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2006（15）：195-196.

[3]林承華，沈輝玲.直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào).2014（1）：1-5.

[4]葉瑞麗，劉瑞葉，劉建楠，等.直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)接入后的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)211-218.定計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào).2014（6）.

[5]高峰，周孝信，朱寧輝，等.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)建模及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011（11）：29-34.